ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МНОГОСЛОЙНОГО КОЛЬЦА ПОЛЯРИЗАЦИОННО-ОПТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

В связи с широким применением в инженерной практике ци­линдрических многослойных труб, получаемых из тонкого листа путем навивки на цилиндрическую оправку, большую актуальность приобретает исследование напряженного состояния отдельных слоев и оболочки в целом как в процессе намотки, так и в условиях ее эксплуатации при действии внутреннего давления. Вначале много­слойные сосуды рассчитывали как толстостенные. Затем появились новые методы расчета, учитывающие явления, которые присущи толь­ко этим видам сосудов [1—4]. Однако анализ прочности многослой­ных сосудов сопряжен с трудностями, обусловленными специфиче­скими особенностями их конструкции и технологии изготовления.

В настоящей работе поляризационно-оптическим методом иссле­дуется напряженное состояние при навивке многослойного кольца и нагружении его внутренним давлением.

ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МНОГОСЛОЙНОГО КОЛЬЦА ПОЛЯРИЗАЦИОННО-ОПТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

Рис. 1. Общин вид приспособления для навивки многослойного кольца (а) и нагружения многослойного кольца равномерным внутренним давлением (б).

Для изготовления прозрачных моделей многослойных оболочек необходим листовой оптически чувствительный материал, обладаю­щий определенными качествами. Листы должны иметь значительные размеры, малую толщину и в момент навивки быть эластичными. Пластины аз широко распространенного оптически чувствительного материала на основе эпоксидной смолы ЭД-6, полученные горячей полимеризацией, для этой цели не пригодны, так как для навивки их необходимо предварительно размягчить повышением температуры. Применение пластин из недополимеризованного материала холодного отверждения на основе эпоксидной смолы для изготовления моде­лей витых многослойных оболочек весьма трудоемко. Кроме того, изучение влияния предварительного натяжения на напряженное состояние, а также на работоспособность конструкции при действии равномерного внутреннего давления методом «замораживания» тре­бует нескольких моделей [5].

Поэтому для исследований была выбрана плоская модель эле­мента витого многослойного цилиндра, представляющая собой мно­гослойное кольцо. В качестве модельного материала применялся листовой целлулоид, который хорошо поддавался навивке и обладал достаточной оптической чувствительностью. Из прошлифованного до толщины 4,5 мм отожженного целлулоида вырезались полоски шириной 3 мм и склеивались для получения ленты длиной 4 м. По­лученная таким образом полоса навивалась на стальной диск диа­метром 200 мм на специально сконструированном приспособлении8 обеспечивающем навивку с постоянными скоростью и натяжением (рис. 1, а), равномерное внутреннее давление создавалось на ус­тройстве цангового типа через резиновую прокладку (рис. 1, б).

Для наблюдения и фотографирования картин полос навивку и нагружение производили в рабочем поле поляризационно-оптической установки «Фотоэластициметр FP». Оптическую разность хода б из­меряли на координатно-синхронном поляриметре КСП-6.

Навивку многослойного кольца производили без и с постоянным натяжением. Производилась навивка шести слоев. Затем многослой­ное кольцо, заклеенное на первом и шестом слоях, нагружали равно­мерным внутренним давлением и определялись напряжения в ха­рактерных сечениях.

Рис. 3. Картины полос, характеризу­ющие напряженное состояние много­слойной полосы от действия внутрен­него давления Р = 8 МПа для зоны склейки первого и последнего слоев.

Рис. 2. Распределение полос, харак­теризующих напряженное состояние ленты в процессе навивки с постоян­ным натяжением а ** 10 МПа,

Интерференционные картины полос, наблюдаемые в процессе навивки кольца с натяжением ленты о = 10 МПа, показаны на рис. 2. Они характеризуют напряжения от изгиба и ее растяжения.

Картины полос от нагружения внутренним давлением отожжен­ного кольца, навитого без натяжения, даны на рис. 3. При нагруже­нии многослойной полосы равномерным внутренним давлением на­блюдается перепад напряжений по толщине каждого слоя. Это объясняется тем, что при навивке многослойной полосы без натяже­ния между слоями образуются зазоры, которые обусловливают до­полнительный изгиб отдельных слоев.

При навивке полосы с натяжением уменьшаются межслойные за­зоры, при нагружении внутренним давлением перепад напряжений уменьшается.

ММ

і*

Jh

1 і. /

* і < 2

7 І. 3

to n і21: яв * 1 5

К 17 И

с

1,НН

ю

Q

’ 1 2

: М

1 >Р И J? 13 ц 6

1рн

-20

-30

•-і х-г

f

в-3

л

Рис. 4. Распределение тангенциальных а0 и радиальных аг напряжений в се­чении многослойного кольца при дейст­вии равномерного внутреннего давления Р=3 МПа:

1 — кольцо, навитое беа натяжения; 2 — о натяжением; a с мягкой прослойкой.

Для устранения межслойных зазоров навивку осуществляли также с мягкой прослойкой между слоями. Для этого между слоями проложили полоску из ПОЛИ - 6віМПа хлорвинила. Так, при нагруже- г«||* нии многослойного кольца внут - !> ренним давлением, как и в слу - чае навивки с натяжением, пе­репад напряжений по слоям б,,нпа уменьшился.

Напряжения, возникающие при навивке и при действии равномерного внутреннего дав­ления, не вызывали пластиче­ских деформаций многослойного кольца. Поэтому напряженное состояние каждого слоя можно представить в виде суммы на­пряжений, связанных с натя­

жением ленты при навивке, с ее изгибом до заданного радиуса и действием внутреннего давления. На рис. 4 представлены усреднен­ные по толщине каждого слоя тангенциальные а© и радиальные а2 напряжения, вызванные равномерным внутренним давлением Р 3 МПа в многослойном кольце при рассматриваемых случаях навивки. По оси ординат отложены напряжения ое и ат, по оси абсцисс — расстояния от внутреннего контура многослойного кольца. Цифрами обозначены номера слоев от внутреннего контура. Сплошными линиями на графиках показаны значения напряжений, вычисленные по формулам Ляме [6]. Во всех приведенных случаях эксперимен­тальные значения напряжений близки к расчетным напряжениям для толстостенного цилиндра.

Поляризационно-оптическое исследование модели многослойно­го кольца позволяет оценить особенности напряженного состояния ленты в местах ее закрепления. Картины полос, показанные на рис. 4, свидетельствуют о концентрации напряжений в зоне закреп­ления первого и последнего слоев. Последняя наблюдается на первом, втором и шестом слоях и распространяется на расстоянии пяти тол­щин от места склейки. Этот эффект концентрации напряжений в зонах закрепления слоев необходимо учитывать при анализе рабо­тоспособности многослойных оболочек.

Предложенная методика представляет широкие возможности для оценки конструктивно-технологических приемов оптимизации напряженных состояний элементов многослойных конструкций.

Оставить комментарий